PROTEOMIKA

2015

• Proteomika, proteiny, co a proč. Metody práce s bílkovinami

• Separační metody, 2-DE

• 2-DE detaily a záludnosti, identifikace bílkovin pomocí MS

• Principy hmotnostní spektrometrie

• Identifikace proteinů pomocí hmotnostní spektrometrie

• Shot-gun strategie, kvantitativní metody

• Proteomika membránových proteinů, proteinové komplexy

• Klinická proteomika, zvláštní metody

• Proteomické čtení, ukázkové studie

• Co je proteomika ? Proteom? Protein?

• Experimentální strategie proteomiky

• Vlastnosti AMK a proteinů

• dezintegrace, lyzace, frakcionace

• detergenty

• srážení, precipitace, denaturace

• koncentrace, filtrace

• stanovení koncentrace

• značení bílkovin

• chromatografie

• elektroforéza

METODY PRÁCE S PROTEINY

ZNAČENÍ A ZAKOTVOVÁNÍ

PROTEINŮ

Reaktivní skupiny bílkovin

sulfhydryl (–SH)

primární amin (–NH2)

karboxyl (–COOH)

karbonyl sacharidu (–CHO)

Cys

Maleimid

SH-

Iodacetyl

Cys

SH-

N´, epsilon aminoskupina Lys

(NHS-succinimide)

NH2-

-COOHProtein +

C´, Asp. Glu

COOH-

Crosslinker EDC

Biotin Hydrazide bind to oxidized carbohydrates through the hydrazide group (–NH-NH2), forming a hydrazone linkage. Oxidation of glycoproteins generates reactive aldehydes that react specifically with hydrazide groups.

Cukry

• Co je proteomika ? Proteom? Protein?

• Experimentální strategie proteomiky

• Vlastnosti AMK a proteinů

• dezintegrace, lyzace, frakcionace

• detergenty

• srážení, precipitace, denaturace

• koncentrace, filtrace

• stanovení koncentrace

• značení bílkovin

• chromatografie

• elektroforéza

METODY PRÁCE S PROTEINY

Liquid Chromatography (LC)

Liquid flow

Liquid

flow

Time 1 2 3 4 5

Separation according to:

-molecular weight/ size

-charge

-hydrophobicity

-affinity

Sample containing

proteins or peptides

•Vzorek se rozděluje mezi mobilní a stacionární (pevnou) fázi

METODY Chromatografické SEPRACE BIOMOLEKUL

VELIKOST

HYDROFOBICITA

AKTUÁLNÍ NÁBOJ

SPECIFICKÉ

INTERAKCE

Gelová filtrace

(Size-exclusion chromatography)

Chromatografie v reverzní fázi

(Reverse phase chromatography)

Iontoměničová chromatografie

(Ion exchange chromatography)

Afinitní chromatografie

(Affinity chromatography)

•Atmosférická

•Nízkotlaká (FPLC, MPLC)

•Vysokotlaká (HPLC)

Klesá : objem vzorku, průtok

a průměr kolony

Roste: rychlost separace

MATRIX :

• kroslinkovaný dextran (Sephadex)

• kroslinkovaná celulóza (Sephacel)

• kroslinkovaná agarosa (Sepharose)

• polyakrylamid (Sepahacryl)

• silica - kyselina ortokřemičitá

• polystyren a jiné synt. polymery

KAPALINOVÁ CHROMATOGRAFIE (LC)

SIZE-EXCLUSION CHROMATOGRAPHY

GEL-PERMEATION CHROMATOGRAPHY

Částice se v porézní matrix rozdělují na základě velikosti

Lze provádět za nativních podmínek !

Separační rozmezí až do 1000-2 000 000 Da

Vhodná pro proteiny.

GELOVÁ FILTRACE

ION EXCHANGE CHROMATOGRAPHY

IONTOMĚNIČOVÁ CHROMATOGRAFIE

• Dělí na základě aktuálního celkového náboje

+-

Anex je pozitivně nabitý

Katex je negativně nabitý

Funkční skupiny iontoměničů

+++ (DEAE) - - - (CM)

KATEXANEX

- +

ELUCE:

Zvýšená iontová síla =

snížení ES interakcíZměna pH = chromatofokusace

+++ (DEAE)

ELUCE:

Zvýšená iontová síla =

snížení ES interakcíZměna pH = chromatofokusace

- - - (CM)

+-

AFINITNÍ CHROMATOGRAFIE

Interakce proteinu s jeho

specifickým ligandem

metabolit, kov, DNA,

protilátka…..

Eluce:

• ligand

• pH

• iontová síla

• denatuační činidlo

Aktivované matrice:

NHS Sepharose……lze vázat za aminoskupinu (succiimid)

CNBr Sepharose…..lze vázat za aminoskupinu

EAH Sepharose …..lze vázat protein za karboxyl (karbodiimid)

Thiol sepharose……lze vázat za SH cysteinu

Matrice s afinitou pro IgG

Protein G Sepharose

Protein A sepharose

Protein A, G magnetic beads

Matrice s afinitou pro glykoproteiny

ConA Sepharose

Velké ligandy (DNA, protein) lze vázat přímo na matrix.

Malé ligandy (nukleotid, NADP, hormon…) se váží přes inertní „spacer arm“.

AFINITNÍ MATRIX

REVERZNÍ FÁZE (REVERSE PHASE CHROMATOGRAPHY)

Dělení na základě interakce s hydrofobní matricí

(na základě odlišné hydrofobicity peptidů/proteinů)

•Matrice a ligand:

vysoce hydrofobní

alifatické řetězce

•Vzorek je v hydrofilním

rozpouštědle

•Eluce: gradientem

organického rozpouštědla

H3

Matrice - nerozpustná, odolná organice a vysokému tlaku

– silica, polystyren…

Ligandy – hydrofobní alifatické řetězce C2-C18

Vhodnost: proteiny, peptidy

Kompatibilita s MS!

C18

Nano

HPLC25-100 μm 24-4000 nL/min

Capillary

HPLC

100-100

μm0.4-200 μL/min

Micro

HPLC

1.0-2.1

mm50-1000 μL/min

Normal

HPLC

4.0-5.0

mm1.0 -10.0 mL/min

Vnitřní průměr

kolony Průtok

HPLC podle průtoku

LC-MALDI

ESI-MS

Zip-TipsMacrotrapHPLC

Prezentace z přednášek budou ke stažení na adrese:

http://patf.lf1.cuni.cz/proteomika

včetne pdf souborů s doporučenou literaturou

R. Scopes – Protein purification. Principles

and practice. Springer Verlag

Komplexita proteomu – Kolik je proteinů?

~20 600 lidských genů

Kódující

gen

mRNA

mRNA

mRNA

mRNA

mRNA

? mRNA ?

x 10 variant

??? Proteinů ???

JAK JE DEFINOVÁN PROTEIN?

GENOCENTRICKÝ vs. PROTEOCENTRICKÝ POHLED

PROTEIN a PROTEOFORMA

Jaká je koncentrace jednotlivých proteinů

a dynamický rozsah?

V savčí buňce: 10-10 000 000 kopií/buňku (107)

V séru/plazmě: pg/ml až mg/ml (1010)

Separace směsi BÍLKOVIN

Elektroforéza, chromatografie a jejich kombinace

Štěpení vybraných

bílkovin + čištění

peptidů

Získání hmotnostních

spekter

Měření přesné hmotnosti peptidů

( a jejich fragmentů)

Identifikace bílkovin (+ kvantifikace)

Porovnání hmotností sady

peptidů (jejich fragmentů) s

údaji o všech dostupných

ORFs v databázích

PROTEOMICKÝ EXPERIMENT

Štěpení všech

bílkovin (trypsin)

Separace směsi PEPTIDŮ

„SHOT-GUN“

STRATEGIE

„KLASICKÁ“

STRATEGIE

KLASICKÁ

STRATEGIE

2-DE-MS

„SHOT-GUN“

STRATEGIE2D-LC-MS

IEF-LC-MS

(proteiny)

(peptidy)

• chromatografie

• elektroforézy

SEPARAČNÍ METODY

2-DE • příprava vzorků

• izoelektrická fokusace

• ekvilibrace

• SDS-PAGE

• detekce bílkovin a DIGE

• zpracování dat a vyhodnocení

• digesce vzorku a extrakce peptidů

• limty a záludnosti 2-DE

z

6phrSpecifická mobilita u =

z - náboj

h viskozita

r Stokes průměr čátice

Elektroforéza

Elektroforéza v roztoku

Elektroforéza v gelu

Izoelektrická fokusace

1807 F.F. Reuss

1930 Arne Tiselius – volná a papírová elektroforéza

(1948 Nobelova cena)

1955 O. Smithies – škrobový gel

1959 Raymond and Weintraub - polyakrylamidový gel

1961 Svensson and Vesterberg – IEF a amfolyty

1970 U.K. Laemli – SDS –PAGE

1975 Patrick O´Farrell – 2-DE

Složení a příprava gelu:

• akrylamid (monomerní)

• bis-akrylamid (zesíťování polymeru)

• APS (peroxodisíran amonný,katalyzátor, produkuje volné radikály),

• TEMED (tetramethylethylenediamine, stabilizuje volné radikály)

• pufr a SDS

Celková koncentrace akrylamidu a bis-akrylamidu určuje KONCENTRACI (T) gelu v procentech (2-20 %)

Poměr bis-akrylamidu a akrylamidu POROZITU (C) gelu.

APS v zásaditém prostředí může reagovat s Trisem, koncentrace co nejnižší ve prospěch TEMEDu.

POLYAKRYLAMIDOVÉ GELY

1959 Raymond and Winstraub- první AA gel

NATIVNÍ ELEKTROFORÉZA

dělení na základě velikosti (průměru částice) a

náboje

DENATURUJÍCÍ SDS-ELEKTROFORÉZA

dělení na základě MW proteinu

IZOELEKTRICKÁ FOKUSACE

dělení na základě izoelektrického bodu v

gradientu pH

POLYAKRYLAMIDOVÉ GELY

SDS ELEKTROFORÉZA

SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulphate – PolyAcrylamide Gel Electrophoresis)

PUFR:

Tris-Cl/Tris-glycin

0.1 % SDS

pH 8.8

Redukce disulfidických můstků

(Dithiothreitol, Dithioerythrol, TCEP,

beta-mercaptoethanol)

•Bílkoviny se rozdělují na základě jejich MW

•Záporně nabité SDS tvoří komplexy s bílkovinami a stíní náboje proteinu (1,4g SDS :1g proteinu)

•Komplex má jednotkový náboj na hmotnostní jednotku.

•Všechny komplexy jsou záporně nabité a migrují k anodě

Izoelektrická fokusace - pohyb nabité částice v gradientu pH

• Celkový náboj proteinu (net charge) je součtem všech jeho

negativních i pozitivních nábojů.

• Kyselé a zásadité skupiny polypeptidu jsou protonovány a deprotonovány

v závislosti na pH prostředí.

•Amfoterní molekula (bílkovina) v elektrickém poli v gradientu pH migruje do bodu ,

kde je její celkový náboj rovný nule.

• pH tohoto bodu odpovídá izoelektrickému bodu (pI) dané bílkoviny.

pH < pI pH=pI pH > pI

migruje k - migruje k +

3 4 5 6 7 8 9 10 11 pH

Net charge

pH pufru se vzorkem

pIpI

+3

-4

TEORETICKÁ DISOCIAČNÍ KŘIVKA DVOU BÍLKOVIN

pH 3 pH 11

+ -+ -+-pI pI

Bílkovina v elektrickém poli v

gradientu pH migruje do bodu, kde je

její celkový náboj rovnen nule.

NH3 +

COO-

NH3 +

COO-

Jaterní homogenát,

2 mg, barvení

koloidní Coomassie

Blue

1025 spotů

pH 4 pH 7

150 kDa

10 kDa

DVOJROZMĚRNÁ ELEKTROFORÉZA (2-DE)

Rozděluje proteiny nejdříve podle jejich náboje a následně

kolmo na směr původní migrace dle jejich MW

1975

1957

1/11/1955

Typický 2-DE experiment

solubilizace

pH gradient

IEF

Vizualizace

redukce/alkylace

SDS

elektroforéza

Diferenční obrazová analýza

Vyříznutí

vybraných skvrn

Štěpení trypsinem a

identifikace pomocí MS

• chromatografie

• elektroforézy

SEPARAČNÍ METODY

2-DE • příprava vzorků

• izoelektrická fokusace

• ekvilibrace

• SDS-PAGE

• detekce bílkovin a DIGE

• zpracování dat a vyhodnocení

• digesce vzorku a extrakce peptidů

• limty a záludnosti 2-DE

LYZAČNÍ PUFR PRO IEF:

solubilizace

Močovina, thiomočovina – chaotropní činidlo, zvýšení rozpustnosti,

denaturace bílkovin

solubilizace

Detergent (CHAPS) – čistý zwitteriontový detergent – zvýšení rozpustnosti

snížení agregace bílkovin

redukce –S-S-

Redukční činidlo (DTT) – redukce disulfidický můstků (ionizují se nad pH 8,

migrují pryč ze stripu na alkalickém konci)

DTT, DTE versus TCEP (Tris[2-carboxyethyl] phosphine ,

tributylphosphine

běh elektroforézy a pH gradient

Nosičové amfolyty -- (carrier ampholytes, IPG buffers) – jsou náhražkou

pufrů, je to směs ionizovatelných látek vytvářejí

potřebný pH gardient

Pigment (BFB) – pro snazší manipulaci Typický lyzační/rehydratační pufr

• 7 M Močovina

• 2 M Thiomočovina

• 2 - 4 % CHAPS

• 0.2 % DTT (TCEP, tributylfosfin)

• 0.5 – 1 % Nosičové amfolyty (IPG pufr)

• 0.002 % BFB

Každá sůl škodí vaší separaci!

Vše nabité pryč!

PŘÍPRAVA VZORKŮ

DNA a RNA

LIPIDY

SOLI

PROTEÁZY

Ultrafiltrace, mikrodialýza, precipitace

Inhibitory proteáz – PMSF, koktejly

Precipitace

Detergent nebo precipitace

Sonikace, DNázy, RNázy,

Precipitace, komplexování s amfolytyZhoršená separace

Barví se v kyselé oblasti gelu

Zhoršená separace

Špatná separace

Degradace bílkovin

PROTEÁZY A KONTAMINACE VE VZORKU

UNIVERZÁLNÍ ŘEŠENÍ ?

Precipitace acetonem, TCA nebo kombinací.

Problém s rozpustostí pelety!

PROTEÁZY stále aktivní i ve vysoké koncentraci močoviny !!!

• Stanovení koncentrace bílkovin

• Analytická versus preparativní nanáška (10-3000 mikrogramů)

• chromatografie

• elektroforézy

SEPARAČNÍ METODY

2-DE • příprava vzorků

• izoelektrická fokusace

• ekvilibrace

• SDS-PAGE

• detekce bílkovin a DIGE

• zpracování dat a vyhodnocení

• digesce vzorku a extrakce peptidů

• limty a záludnosti 2-DE

3 4 5 6 7 8 9 10 11 pH

Net charge

pH pufru se vzorkem

pIpI

+3

-4

TEORETICKÁ DISOCIAČNÍ KŘIVKA DVOU BÍLKOVIN

pH 3 pH 11

+ -+ -+-pI pI

Bílkovina v elektrickém poli v

gradientu pH migruje do bodu, kde je

její celkový náboj rovnen nule.

NH3 +

COO-

NH3 +

COO-

NOSIČOVÉ AMFOLYTY (CARRIER AMPHOLYTES)

Vlastnosti:

•Vysoká pufrační kapacita a rozpustnost při vlastním pI

•Dostatečná a stálá elektrická vodivost

•Absence biologických efektů

•Nízká MW

Původně: směsi různě dlouhých řetězců

Oligoamino-oligokarboxylových kyselin

MIGRACE a nestabilní gradient !!!

Zakotvené pH gradienty (Immobilized pH gradients – IPG )

Amfoterní molekuly nesoucí disociovatelné bazické i kyselé skupiny

Zajišťují vytvoření stabilního a hladkého gradientu pH v elektrickém poli

1982 Bjellqvist(derivovaný akrylamid)

ZAKOTVENÉ PH GRADIENTY (IMMOBILIZED pH GRADIENTS – IPG)

Derivovaný akrylamid s disociovatelnými karboxy- a aminoskupinami

3 mm široké, 0.5 mm silné, dehydrované - trvanlivost , reproducibilita, plastova podložka,

stabilita, nemigrují, neinterferují s nimi redukční činidla.

IPG STRIPY (IPG STRIPS)

wpH-rangeReadyStripIPGstripsenhanceandincreaseresolutionbycreatingoverlappingdataequivalent t

ZOOMING

pH 4-5 pH 5-6 pH 5,5-6,7

pH 4-7

1071

498 376896

Celkem 1754

PRO:

•Rehydratace a nanáška spojena v jeden

krok

•Proteiny rovnoměrně rozložené,

neprecipitují v místě nanášky

•Aktivní rehydratace zlepšuje vstup velkých

bílkovin do gelu

PRO:

IEF ve vysoce kyselých a zásaditých gradientech

probíhá lépe

PROTI:

Vzorek je dlouhodobě při pokojové teplotě

PROTI:

Proteiny s pI blízko bodu nanášky mají nízkou

rozpustnost a mobilitu a mají tendenci precipitovat

na povrchu gelu

REHYDRATAČNÍ NANÁŠKA versus CUP LOADING

REHYDRATACE IPG STRIPŮ A NANÁŠKA VZORKU

PODMÍNKY IZOELEKTRICKÉ FOKUSACE

Optimalizace podmínek pro každý vzorek, typ stripu a nanášky.

Platí zvlášť pro: větší nanášky, a větší a hydrofobnější proteiny.

Teplota: kolem 20 oC ( PREVENCE KARBAMYLACE ! versus krystalizace močoviny za nízkých teplot)

Aktivní chlazení !!! Dochází k přehřívání na tzv. HOT SPOTS

Elektrické podmínky : 50-70 microA na

strip, U co nejvyšší, kroky nebo pozvolný

vzestup

V praxi až 10 kV. Celková fokusace pro 18-

24 cm stripy 40-80 kVh

Prevence oxidace a vysychání stripu : parafinový olej

N´konec nebo

epsilon aminoskupina lyzinu

Kyselina

izokyanatá

Nízký proud!

Vysoké napětí

Soli a ionty pufrů

E

PŘEHŘÍVÁNÍ IPG STRIPŮ NA TZV. HOT SPOTS

(HOT SPOTS jsou hrany iontových pásů - hranice oblasti s nízkou a vysokou vodivostí)

V

5000

3000

1000

1 3 6 9 12 24 t [h]

BIO-RAD Protean IEF Cell

18 cm strip pH 3-10

Rehydratační nanáška 1mg

50 microA / strip

Celkem 51 000 Vh

+ “hold”

TYPICKÝ IEF BĚH

INSTRUMENTACE IEF

EKVILIBRACE STRIPŮ PŘED DRUHÝM ROZMĚREM

Cíle ekvilibrace:

Převést bílkoviny do pufrů vhodných pro redukci, alkylaci a SDS separaci

• Maximalizovat přenos bílkovin ze stripu

• Redukovat disulfidické můstky

• Alkylovat cysteiny

Thiol-disulfidová výměna DTT s proteinem

Protein Protein

Pro

tein

Protein

Redukce disulfidických vazeb

Protein

Protein

Alkylace iodacetamidem

Karbamidometyl

EKVILIBRACE STRIPŮ PŘED DRUHÝM ROZMĚREM

Cíle ekvilibrace:

Převést bílkoviny do pufrů vhodných pro redukci, alkylaci a SDS separaci

• Maximalizovat přenos bílkovin ze stripu

• Redukovat disulfidické můstky

• Alkylovat cysteiny

EKVILIBRAČNÍ PUFR (EQP):

50 mM Tris pH 8.8

2% SDS,

6 M močovina

30 % glycerol

15-20 min EQP + 1% DTT (dithiothreitol)

15-20 min EQP + 2.5 % iodacetamid (!)

Redukce:

Alkylace:

ELEKTROENDOOSMOTICKÝ EFEKT

Nepohyblivé (zakotvené) nabité skupiny v elektrickém poli !!

Po ekvilibraci v neutrálním nebo zásaditém pufru:

• COOH disociovaná na COO-,

• aminoskupiny zůstávají nedisociované

Disociovaný karboxyl je přitahována k anodě (+), ale nemůže…….

To je kompenzováno migrací H3O+ ke katodě (-)

Voda nese rozpuštěné částice směrem ke katodě !

COO-

H3O +

H3O +

katoda

+anoda

Následky:

IEF : bobtnání katodického (bazického) konce

zhošená separace

SDS-PAGE : ztráta bílkovin na vstupu do gelu

zhoršená separace

WITA

Small (8x7 cm), large (24x32 cm) and giant gels (48x32 cm)

(mouse ovary total protein extract, 5000-8000 spots).

Trubičky a obří gely

• chromatografie

• elektroforézy

SEPARAČNÍ METODY

2-DE • příprava vzorků

• izoelektrická fokusace

• ekvilibrace

• SDS-PAGE

• speciální metody

• detekce bílkovin a DIGE

• zpracování dat a vyhodnocení

• digesce vzorku a extrakce peptidů

• limty a záludnosti 2-DE